作者归档:101kPa

关于101kPa

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ANSYS接触分析中的一些注意事项和技巧

© Written by J.Y. WANG

关于耦合或约束方程的适用情况
1、如果接触模型没有摩擦, 接触区域始终粘在一起, 并且分析是小挠度、小转动问题, 那么可以用耦合或约束方程代替接触。使用耦合或约束方程的优点是分析还是线性的。

关于接触刚度
2、罚刚度越大, 接触表面的侵入量越小。然而, 若此值太大,则会由于病态条件而引起收敛困难。可以通过一些实验来确定一个合适的接触刚度, 使求解收敛,而且侵入量可以接受。
3、接触刚度是接触面的相对刚度的函数。对于块状实体, 通常赫兹接触刚度适用于罚刚度, 可以这样估算:k = fE。式中f 是介于0.1~10之间的系数, E是较软的接触材料的弹性模量。设f=1 通常是一个较好的起始值。

关于目标/接触面的选择
4、指定接触和目标表面的目的是将接触检查点增加到最大数。对于刚体对柔体接触, 目标面总是刚体表面。对于柔体对柔体接触, 目标面和接触面的选择会引起不同量的侵入, 从而影响求解精度:
•如果凸面与平面或凹面接触, 那么平面或凹面应该是目标面;
•如果一个表面网格粗糙, 而另一个表面网格较细, 那么网格粗糙的表面应该是目标面;
•如果一个表面比另一个表面的刚度大, 那么刚度大的表面应该是目标面;
•如果一个表面划分为高次单元, 而另一个表面划分为低次单元, 那么划分为低次单元的表面应该是目标面;
•如果一个表面比另一个表面大, 那么更大的表面应该是目标面。

5、接触对由实常数号来确定,目标单元和接触单元必须共用相同的实常数号。
在实常数中应该设置罚刚度比例系数(FKN)和拉格朗日乘子侵入比例系数(FTOLN)。FKN 通常介于0.01~10之间。 对于体积变形问题, 用值1.0(默认), 对于以弯曲变形为主的问题, 用值0.1。FTOLN 默认为0.1。 可以改变此值, 但若容差太小, 会使迭代数过多或不收敛。

关于求解选项
6、不用自适应下降。对于面对面接触问题, 自适应下降对于收敛不能提供任何帮助;
7、使用一个合理的平衡迭代数目, 通常是25;
8、因为对于大时间增量, 迭代计算会变得不稳定, 用线性搜索来稳定计算;
9、将预测器打开, 大转动或动态分析除外。
10、对于小应变、小位移和小滑动问题,要关上大变形效应开关,这样设置将加快接触搜索速度。

关于刚体位移
11、在静态分析中, 开始不连接在一起的两个(或多个)物体, 在建立接触前, 会产生刚体运动。如果在求解中的任一时刻, 两个物体没有联系, 刚度矩阵就会奇异。 ANSYS将会发出一个负主元警告信息。由于物体初始时没有联系, 要克服刚体位移有几个选项:

•在“恰好碰上”的位置建立几何模型
要求知道“恰好碰上”的位置在哪里。如果表面是曲面或者不规则, 则难以确定。但由于有限元网格的数值修整, 物体之间会存在小间隙或侵入,可能引起不收敛或接触物体的分离。

•动力学
在动力分析中, 惯性作用可以阻止刚体运动. 克服刚体运动的一种选择是动态地求解问题。将需要加上质量和阻尼, 使求解从静态转换到动态。但在一个“静态”模型中, 要缓冲掉不想要的动态影响并不总是那么容易。

•位移控制
该技术用强加的位移使两物体进入接触状态。然后, 可以通过一个空载荷步, 使该问题从位移控制求解转换到力控制求解。但对于复杂加载, 施加哪个位移并不总是那么明显。具体步骤一般为:
载荷步1 用一个强加的小位移使物体进入初始接触状态。
载荷步2 从位移控制转换到力控制。删除强加的位移, 加上反作用力, 并用一个子步求解(由于此系统没有变化, 该载荷步应该经过一次或两次迭代就收敛)。
载荷步3 继续进行载荷历史加载。

•软弹簧
该技术使用接地软弹簧来阻止刚体运动。与系统刚度相比, 弹簧刚度应该可以忽略。弹簧与基座相连, 可以将地上节点的反作用力与总的反作用力相比, 以确保弹簧对求解没有影响。初始载荷必须足够小, 从而引起弹簧的小变形, 这样接触单元才能认识侵入。需要做些实验, 使目标单元不“穿过”接触表面。

•用不分离接触
模拟对象的实际物理过程需要是属于不分离的情况。

•调整初始接触条件
以用实常数ICONT或PMIN和PMAX去调整初始接触条件,以阻止刚体位移。ICONT将接触面上在调整带内的节点移到目标面上。PMIN和PMAX 实际地将刚性面移进目标。

已发表的主要学术成果

已发表的主要学术成果列表

科学技术成果《大跨度索结构关键技术与工程应用》, 2022 -经评价达到国际领先水平 主要研制人
基于BIM技术的建筑工程施工图设计实施建议[J]. 中国建筑金属结构, 2021, 2: 126-127 独著
Eurocode 3设计指南:房屋建筑钢结构设计 EN 1993-1-1, -1-3 and -1-8(第2版), 2019, 人民交通出版社 第一作者
欧洲标准Eurocode 3:钢结构设计 第1-3部分:一般规定——冷成型构件和薄钢板的补充规定 BS EN 1993-1-3: 2006, 2019, 人民交通出版社 第一作者
英国附件Eurocode 3:钢结构设计 第1-3部分:一般规定——冷成型构件和薄钢板的补充规定 NA to BS EN 1993-1-3: 2006, 2019, 人民交通出版社 第一作者
国家标准GB/T 36145-2018《建筑用不锈钢压型板》, 2018, 中国标准出版社 主要起草人
欧标钢结构设计手册(STEEL DESIGNERS’ MANUAL, 7th. 中文版). 2014, 冶金工业出版社 第6章译者
中冶集团课题《大跨度空间结构风荷载及风致响应研究》, 2012 -经评价达到国内领先水平 主要研制人
毛里求斯国际机场新航站楼钢结构设计[J]. 建筑结构, 2017, 47(7): 20-24. 第一作者
大跨度屋盖表面风荷载稳态数值模拟建议[J]. 建筑结构, 2013, 43(S1): 972-976. 第一作者
中欧钢结构规范螺栓连接承载力比较[J]. 钢结构, 2013, 28(2): 50-58. 第一作者
贝壳形空间结构形态研究[J]. 建筑结构 , 2012, 39(12): 69-73. 第一作者
新旧抗震规范对北京某高层结构设计影响比较[J].工业建筑,2018, 48: 480-483 非第一作者
厦门高崎国际机场T4航站楼屋盖钢结构设计研究[C], 第十四届空间结构学术会议. 2012. 非第一作者
自由曲面空间结构形态学[C], 第十二届空间结构学术会议论文集. 北京, 2008. 非第一作者

以下为主要学术成果简介

大跨度索结构关键技术与工程应用

完成单位:北京市建筑设计研究院有限公司、浙江大学、中国铁建国际集团有限公司、中国建筑第八工程局有限公司、北京市建筑工程研究院有限责任公司、上海建筑设计研究院有限公司、广东坚朗五金制品股份有限公司

主要成果:
1、建立了基于位形与预应力双控的大跨度索结构优化设计理论,创新发展了平衡矩阵奇异值分解法、边界索应变和位形双修正的同步调节法等形态分析方法,突破了复杂大跨度索结构预应力精确求解和位形精确控制的技术瓶颈。
2、创建了轮辐式径向交叉索桁架等新型索结构体系,显著改善了索结构的受力性能;研发了高承载力、轻量化的新型索夹节点,大幅提升了索节点的安全储备;自主研制了大直径锌铝稀土合金镀层密封索,打破了国外的长期垄断。
3、建立了大跨度索结构整体牵引提升的施工形态控制理论,提出了面向随机误差控制的张拉分析技术,研发了马鞍形单层索结构等新型施工方法、施工智能控制平台及装备,实现了索结构的高精度、高效安装。
4、提出了智能磁电层合材料与磁弹效应原理相结合的钢索绝对应力监测方法,发明了高精度电磁弹式钢索应力监测仪和高性能光纤智能拉索,实现了索结构钢索绝对应力的精准监测。

已通过科学技术成果评价,评价为国际领先水平。 北京, 2022年7月


基BIM技术的建筑工程施工图设计实施建议

王敬烨
(中国铁建国际集团有限公司, 北京100039)

[摘要] 本文根据BIM技术的内涵、特点,针对建筑工程施工图设计环节探讨了BIM技术实施建议。明确了在建筑工程中应用BIM技术的概念和特点。提出BIM在施工图设计应用中的四个阶段和五个贯穿原则,并根据工程实践经验给出了实施要点。

[关键词] BIM技术;建筑工程;施工图设计

发表于: 《中国建筑金属结构》 总第470期 2021年2月
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毛里求斯国际机场新航站楼钢结构设计

王敬烨  张海军  赵建国  贾凤苏
(中国京冶工程技术有限公司, 北京100088)

[摘要] 介绍了毛里求斯国际机场新航站楼钢结构设计的相关内容。航站楼采用钢与混凝土组合结构,其设计、制造、安装、检测采用英国规范和欧洲标准,并使用中国钢材和截面替换初步设计的英国钢材和截面。重点阐述了其结构体系、典型节点和伸缩缝设置,对于国内机场建设和国际工程的设计具有一定的借鉴意义。

[关键词] 毛里求斯国际机场; 钢结构设计; 欧洲标准

发表于: 《建筑结构》 第47卷 第7期 2017年4月
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大跨度屋盖表面风荷载稳态数值模拟建议

王敬烨  张海军  吴耀华
(中国京冶工程技术有限公司, 北京100088)

[摘要] 结合近几年进行的大跨度钢结构工程的实践, 并参考国内外的一些文献, 从计算域的尺寸、网格的划分、边界条件、离散格式、湍流模型的选取、收敛性及结果的判定等方面给出了大跨度屋盖表面风荷载的数值模拟建议。并根据这些建议选取了三种典型( 平屋盖、球面屋盖、鞍形屋盖) 大跨度屋盖形式, 与其风洞试验的测量结果进行了对比。最后以武汉天河机场航站楼工程和山东烟台全民健身馆工程为对象, 分析了其风压分布规律, 并与风洞试验的测量结果进行了验证。

[关键词] 大跨度屋盖; 风荷载; 数值模拟; 平均风压

发表于: 《第四届全国建筑结构技术交流会论文集》 北京, 2013年5月 《建筑结构》 第43卷增刊
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中欧钢结构规范螺栓连接承载力比较

王敬烨1  张海军1  刘文武2
(1 中国京冶工程技术有限公司, 北京 100088; 2 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所, 北京 100081)

[摘要] 根据欧洲钢结构设计规范的EN1993-1-8:2005和GB50017-2003《钢结构设计规范》及JGJ82-2011《钢结构高强螺栓连接技术规程》对单个螺栓的设计承载力进行比较,包括抗剪连接、抗拉连接、剪拉连接和抗滑移连接的单栓承载力。比较分析可知:国标与欧标钢结构设计规范中的抗剪螺栓连接承载力二者基本一致;欧标的高强螺栓预拉力取值比中国的约高10%;抗拉螺栓连接与剪拉螺栓连接主要区别在于螺栓的抗拉承载力如何考虑撬力的影响。

[关键词] 欧洲规范; 螺栓连接; 承载力; 设计规范

发表于:《钢结构》 第28卷总169期 2013年2月
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贝壳形空间结构形态研究

王敬烨1  刘文武2
(1 中国京冶工程技术有限公司,北京100088; 2 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081)

[摘要] 研究了贝壳面的几何造型方法,并以应变能最小为目标对贝壳形曲面进行形状优化。从工程实际的角度出发,对贝壳形网壳的基本静力性能和静力稳定性能进行了研究,考察了初始缺陷、不均匀荷载分布、支承条件等因素对结构性能的影响,并给出了相应的设计建议。结果表明贝壳面是一种良好的空间结构自由曲面形式。

[关键词] 结构形态; 造型; 形状优化; 贝壳面; 静力稳定性

发表于:《建筑结构》 第42卷 第12期 2012年12月
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新旧抗震规范对北京某高层结构设计影响比较

房鹏鹏;张煜;孙传华;王敬烨
(中国京冶工程技术有限公司, 北京 100088)

[摘要] GB50011-2010《建筑抗震设计规范》(2016年版) 自2016年8月1日起开始实施,为研究新抗震规范对建筑结构设计的影响,以北京某髙层建筑结构设计为例, 对该建筑在抗震规范修订前后的地震作用 、结构位移 、结构工程量和造价、弹性时程分析等几个方面进行比较, 得出新抗震规范对结构设计的影响,为处于抗震规范更替期的工程和按新抗震规范要求对既有工程进行改造的项目提供参考。

[关键词] 新抗震规范;地震作用;层间位移角;弹性时程分析

发表于:《工业建筑》 第48卷增刊,2018年6月
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厦门高崎国际机场T4 航站楼屋盖钢结构设计研究

郑春林  吴耀华  王宏斌  苟兴文  王敬烨  张煜
(中国京冶工程技术有限公司, 北京 100088)

[摘要] 厦门高崎国际机场T4航站楼主楼屋盖为直纹双曲面,工程地处沿海台风区,建筑造型独特,其平面投影尺寸为396mX(110~136)m。二层8.000m标高以下采用钢筋混凝土框架结构,8.000m标高以上采用钢结构。屋盖钢结构结合建筑造型要求,采用了平面钢析架解决曲面问题。钢屋盖由锥形钢管直柱及周圈不等倾斜角度的锥形钢管柱支撑。本文主要介绍了该建筑结构的选型、分析设计条件、锥形钢管柱的验算以及关键节点的分析与设计等。

[关键词] 航站楼; 直纹双曲面; 平面钢析架; 锥形钢管柱

发表于:《第十四届空间结构学术会议论文集》 福州, 2012年11月
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大跨度空间结构风荷载及风致响应研究

完成单位:中冶建筑研究总院有限公司

课题组主要研究成员名单:
课题负责人:张海军  吴耀华
审 定:吴耀华  贾 影

主要参加人:
张海军  吴耀华  王敬烨
贾 影  姚志东  郑本有  孟 兮

简要技术说明:
1、深入了解大跨度空间结构风荷载理论的主要研究方法和发展过程,及大跨屋盖结构抗风设计的主要特点。
2、结合大跨度屋盖结构的特点,从计算域的尺寸,网格的划分,边界条件,离散格式,湍流模型的选取,收敛性及结果的判定等方面提出了响应的数值模拟建议。
3、从基本几何特性出发分析了五种典型大跨度屋盖形式。
4、应用本文所提出的相关CFD数值模拟分析几个大跨度空间结构的工程实例,并与风洞试验的测量结果进行了验证。
5、探讨了针对时域分析中应用的脉动风速时程模拟的几种方法。

已通过科学技术成果鉴定,鉴定为国内领先水平。 北京, 2011年9月
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自由曲面空间结构的形态学研究

武岳  李欣  王敬烨  沈世钊
(哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150090)

[摘要] 我国的空间结构正处于蓬勃发展之时,然而与国外相比,在空间结构的曲面造型上还略显单调。究其原因,在于以往大多关注于空间结构的力学性能研究,而对于空间结构的形态学研究较少,这与当前国际空间结构学术界的研究热点是不相适应的。对于自由曲面空间结构的研究不仅是建筑学问题,也是结构问题,因为空间结构的建筑和结构是一体的。本文首先总结了国内外研究现状,介绍了结构形态的基本概念,以及需要解决的问题;然后阐述了自由曲面的基本构造方法;最后,通过两个具体实例展示了自由曲面构造方法的应用。

[关键词] 空间结构; 形态学; 自由曲面; 几何构造方法

发表于:《第十二届空间结构学术会议论文集》 北京, 2008年11月
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转-Ansys施加弯矩扭矩的几种方法

Ansys施加弯矩扭矩的几种方法<转帖>

a)方法简介:
1.将矩转换成一对的力偶,直接施加在对应的节点上面。
2.在构件中心部位建立一个节点,定义为mass21单元,然后跟其他受力节点耦合,形成刚性区域,就是用cerig命令。然后直接加转矩到主节点,即中心节点上面。
3.使用mpc184单元。是在构件中心部位建立一个节点,跟其他受力节点分别形成多根刚性梁,从而形成刚性面。最后也是直接加载荷到中心节点上面,通过刚性梁来传递载荷。
4.通过rbe3命令。该方法与方法2很接近。
5.基于表面边界法:主要通过定义一个接触表面和一个目标节点接触来实现,弯矩荷载可以通过在目标节点上用“F”命令施加。

b)方法说明:
方法1,通过转换为集中力或均布力,比如施加扭矩,把端面节点改成柱坐标,然后等效为施加环向的节点力;而施加弯矩,可以将力矩转化为端面的剪切均布力;但这种方法比较容易出现应力集中现象;
方法2,定义局部刚性区域。该方法有个不足,它在端面额外的增加了一定的刚度,只能适用于小变形分析。
方法3,相对方法2来说,采用刚性梁单元,适用范围更广一些,对于大应变分析也能很好的适用。但在小应变分析下,方法2和方法3没有什么区别。
方法4,定义一个主节点,施加了分布力面,应该说跟实际比较接近一点,但端面的结果好像不是很理想,结果有点偏大,在远离端面处的位置跟实际很符合。
方法5,它具体的受力形式有如下两种:
刚性表面边界(Rigid surface constraint)-认为接触面是刚性的,没有变形,和通过节点耦合命令CERIG比较相似;
分布力边界(Force-distributed constraint)-允许接触面的变形,和边界定义命令RBE3相似。
使用这种方法,需要用KEYOPT(2) = 2打开接触单元的MPC(多点接触边界)算法。

c)命令流示例:
下面用不同的方法来实现的命令流。

方法1:不介绍了

方法2:定义局部刚性区域
/PREP7
ET,1,95
ET,2,21
KEYOPT,2,3,0
R,1,1E-6
MP,EX,1,2.01e5
MP,PRXY,1,0.3
CYLIND,15,10,0,200,0,360,
wpro,,90,
vsbw,all
wpro,,,90
vsbw,all
WPCSYS,-1,0
K,17 , , ,210
lsel,s,,,13,16,1
lesize,all, , ,8, , , , ,1
lsel,s,,,22
lesize,all, , ,4, , , , ,1
lsel,s, , ,17,20,1
lsel,a, , ,26,27,1
lsel,a, , ,30,31,1
lesize,all, , ,20,0.4, , , ,1
alls
vmesh,all
!下面一段开始各个方法有所不同,由于前面的建模一样,后面的例子就不再给出
ksel,s,,,17
type,2
real,1
kmesh,all
allsel
nsel,s,loc,z,200,210
npolt
CERIG,node(0,0,210),ALL,ALL, , , ,
!CERIG命令定义局部刚性区域
allsel
/SOLU
f,node(0,0,210),mz,10e5
FINISH
!以下一段边界条件的施加各种方法一样,后面例子也不再赘述
/SOL
nsel,s,loc,z,0
d,all,all
allsel
solve

方法3:使用MPC184单元定义刚性梁
……
et,2,184
keyopt,2,1,1
nsel,s,loc,z,200
n,15000 ,0,0,210
type,2
*get,nnum,node,0,count
*get,ND,node,0,num,min
*do,i,2,nnum
!节点个数是nnum,只需要生成nnum个mpc单元
E, 15000,ND
ND=NDNEXT(ND)
*enddo
allsel
/SOLU
f,node(0,0,210),mz,10e5
FINISH
……

方法4:rbe3命令
……
ET,2,21
KEYOPT,2,3,0
R,1,1E-6
K,17 , , ,210
ksel,s,,,17
type,2
real,1
kmesh,all
allsel
nsel,s,loc,z,200
*get,nnum,node,0,count
*get,ND,node,0,num,min
*dim,sla,array,nnum
*dim,sla2,array,nnum
*do,i,1,nnum
sla(i)=ND
sla2(i)=ND
ND=NDNEXT(ND)
*enddo
allsel
rbe3,node(0,0,210),all, sla,sla2
/SOLU
f,node(0,0,210),mz,10e5
FINISH
……

ANSYS求解器的基本原理与选择

© Written by J.Y. WANG

ANSYS求解器的基本原理与选择

对于线性方程组的数值求解方法大致分为两类:直接求解法和迭代法。ANSYS中的直接法都是基于高斯消元法的原理,而迭代法是采用逐步逼近的方法。由于迭代法不需要存储系数矩阵的零元素,因而迭代法主要用于求解大型稀疏矩阵方程组,并且计算程序比较简单,原始系数矩阵在计算中始终保持不变所以迭代法被广泛使用,但是迭代法存在收敛性和收敛速度问题。ANSYS中的迭代求解器都是基于共轭梯度原理计算的,所不同的是各迭代法的预处理矩阵不同。

另外需要说明的是:由于迭代法的特点是不需要矩阵分解,只需要一系列具有稀疏矩阵分布的矩阵相乘和预处理矩阵,所以迭代法所需的内存空间和计算空间都小于稀疏矩阵法,但是迭代法并非适用于所有问题,而且对于一些复杂问题来说,需要的迭代次数会很大,这种情况下稀疏矩阵法的计算时间可能会小于迭代法。

稀疏矩阵求解器与其他求解器相比具有较强的稳健性。对于非线性结构分析建议按如下原则选取sparse或PCG求解器:

如果是梁/壳或梁/壳与实体结构,选择稀疏矩阵直接求解器
如果是具有大量自由度(>20万个)的3D实体结构选
PCG求解器
如果是由畸形单元触发的病态问题,或在不同区域具有不同材料的模型,或没有有效边界条件的问题选择选择
稀疏矩阵直接求解器

ANSYS求解器简介

求解方法 求解器 特点和应用场合 自由度数(万个) 内存需求 硬盘需求
直接法(基于高斯消元法) 稀疏矩阵求解法(Sparse)作为默认求解器 适用于对称和非对称矩阵的求解,特别是非确定矩阵的非线性分析。
可在静态、谐态、瞬态、子结构和PSD谱分析中使用。
1~50
波前法(Frontal) 不组集总刚,在处理单刚时直接组集和求解非线性分析或内存受限时 ≤5
迭代法(基于共轭梯度法) 雅克比共轭梯度法(JCG) 适用于对称矩阵、非对称矩阵、复矩阵、确定与非确定矩阵的求解。
可在静态、谐态、瞬态分析中使用。
建议在3D结构和多物理场的谐分析中使用;对于传热、电磁学、压电材料和声场问题也比较高效。
≥5~100
不完全乔氏共轭梯度法(ICCG) 适用于对称矩阵、非对称矩阵、复矩阵、确定与非确定矩阵的求解。
可在静态、谐态、瞬态分析中使用。
与JCG相比需更多内存,但对于病态矩阵的鲁棒性更好
≥5~100
预处理共轭梯度法(PCG) 适用于对称、确定或不确定矩阵求解。
可在静态、瞬态、模态(仅PCG Lanczos 法)分析中使用。
与Sparse法相比需要更少的磁盘空间,对于大模型速度更快
≥5~100